引言
通用串行總線(Universal Serial Bus，USB)作為計算機上的新型接口技術，越來越受到人們的青睞。與以前的RS 232，RS 485，ISA，PCI和并行接口等接口相比，USB避免了接口體積大、接口規范不統一、不支持熱插拔等缺陷，具有使計算機與外部設備連接十分方便的優點。目前，很多設備都開始使用USB接口來實現，如鼠標、鍵盤、打印機等。在實際設計工作當中，也越來越多地采用了USB技術，如數據采集等。USB的設計和應用已經成為現代電子設計中一個非常重要的部分。
1 USB 2.0特點
USB是一種高效、快速、價格低廉、體積小的新型串行通信接口，其最大的特點是支持熱插拔，可以在不重新啟動計算機的情況下直接將USB外部設備連接到計算機并開始通信。
USB具有以下主要特點：
(1)節省系統資源。在計算機中，系統為USB主控制器分配一根中斷控制線和一些輸入/輸出地址，USB再為外部設備分配惟一的地址。
(2)可以提供電源。計算機上的USB接口可以向外部設備提供一定的電力支持，其輸出電流最小值為100 mA，最大值為500 mA，輸出電壓為5 V。
(3)良好的兼容性。USB規范已經有USB 1.O，USB 1.1，USB 2.O，無線USB等多個版本的協議，這些協議都有很好的向下兼容性。
(4)共享式接口。USB采用“菊花鏈”式的連接方式，同時支持多個設備的連接，一個USB主控制器最多可以連接126個外部設備。
2 CY7C68013A的主要特點
CY7C68013A是Cypress公司的EZ-USB FX2LP系列低功耗版本單片機，具有和8051兼容的CPU和指令系統，同時包括USB接口和完整的USB 2.0協議引擎，并且提供了完善的固件及主機程序開發包。該單片機的CPU采用的是增強型805l內核，比標準的8051的速度快，硬件資源更為豐富，功能更強大。主要具有以下特點：
(1)具有第二個數據指針;
(2)具有第二個USATRT;
(3)I2C總線接口;
(4)8個額外的中斷(INT2～INT6，WAKEUP，T2，USARTl);
(5)CPU時鐘可以運行在12 MHz，24 MHz，48 MHz。
3 控制系統設計
基于USB的控制系統設計主要包含兩個方面的內容，分別為固件程序的開發和上位機(主機)控制界面的設計。CY7C68013A芯片采用的是一種軟配置模式，即程序和數據都存放在內部RAM中，并從RAM中開始執行。
3.1 啟動模式的選擇
EZ-USB在沒有固件的情況下列舉為一個缺省的USB設備，并且將其固件和描述符等下載到EZ-USB后，開始執行固件程序，此時模擬一個物理上的斷開重新連接過程。在列舉為一個USB設備時，根據芯片有沒有連接E2PROM，以及E2PROM中第一個字節值的不同，其處理方式有很多。主要有：不連接E2PROM的缺省設備列舉、CO加載、C2加載等啟動方式。在此系統的設計過程中，采用第一種方式，即芯片沒有連接任何片外存儲器，USB的描述符以及VID，PID和DID等均由芯片內置的邏輯提供，然后根據驅動程序中提供的VID，PID和DID把主機上對應的固件程序下載到片內的RAM中，并執行固件代碼。該方式具有硬件連接簡單，節省器件等特點。
3.2 硬件系統框圖
整個系統的硬件框圖如圖1所示。可以看出USB控制系統在整個系統中起到橋梁作用，用于連接上位機和外部設備。
上位機發送控制指令給USB設備，信息處于下行狀態，解碼后用來控制外圍設備執行相應功能。上位機需要從外設獲得信息(如數據采集)，信息處于上行狀態，由USB設備負責控制外設并將數據傳送到上位機，由上位機分析、顯示。
3.3 固件程序設計
在固件中，主要實現芯片外圍設備的控制，以及對USB設備的功能描述等任務，同時負責與上位機通信，響應上位機的標準請求和自定義請求。
描述符主要是讓上位機了解USB功能設備的基本配置信息和能力，如端點、接口等。在此主要使用標準描述符來說明USB設備，如設備描述符、配置描述符、接口描述符、端點描述符、設備限定描述符等。在該設備中，這些描述符的層次結構如圖2所示。
系統中使用了2個配置描述符，分別為高速配置和全速配置，每個配置使用1個接口，并對應1個接口描述符，每個接口應用了4個端點，對應4個端點描述符。同時端點配置為塊傳輸模式，2、4端點為OUT，6、8端點為IN，最大數據包長度為512 B，上位機通過O端點來操作、控制USB設備。設備描述符中VID=Ox04B4，PID=0x1304，用于指示設備供應商和產品信息，并用于上電時幫助主機加載合適的驅動程序，進而下載相應的固件程序。固件中對標準請求的響應部分，主要是讓上位機能夠對描述符進行讀取和寫操作。自定義請求響應主要實現上位機發送控制命令，來使能USB功能設備、以及執行相應的功能的目的，如DR_SendData，DR_ReadData。
固件設計流程圖如圖3所示。
用戶初始化設備部分放在TD_Init()子程序中，負責整個USB設備的初始化過程。在定向描述符之后，需要把所用中斷打開，并開啟8051全局中斷EA=1。由于EZ-USB設備啟動需要重列舉，因而需要通過設置和判斷USBCS寄存器的RENUM和DISCON位來模擬設備物理上的斷開和連接過程。用戶外圍設備控制功能的實現放在TD_Poll()子程序中，同時主循環中的SetupCommand()子程序用于接收、分析上位機的控制信號，響應上位機請求(標準請求和用戶自定義請求)。
3.4 上位機界面設計
為了能夠很好地控制USB設備，需要編寫上位機控制界面。界面程序在VC++6.O環境下開發，該環境具有編程簡單、快捷等的特點，便于開發可視化程序。Cypress公司為EZ_USB系列芯片提供了開發庫CyAPI.lib，使用其中的控制函數類，可以在VC++6.0環境下開發界面程序。建立MFC(exe)工程后，在工程中加入CyAPI.lib，并且在主文件頭部添加EZ-USB開發環境中提供的CyAPI.h，cyioctl.h頭文件。利用庫中的控制函數，如VendorID，ProductID等，可以獲取USB設備的描述信息，同時也可以編寫相關的控制功能程序。
3.5 系統設計中關鍵問題
(1)一個設備只能有一個設備描述符，可以有多個配置描述符，多個接口描述符，以及多個端點描述符。
(2)設備描述符中VID，PID要與驅動中的相一致，否則不能自動加載相應的固件程序。
(3)固件程序必須轉換為.spt格式，用于固件加載的驅動程序和固件程序應放在一個文件夾。
(4)端點0為缺省控制端點，其可設置最大數據包長度為64 B，在設備描述符中wMaxPacketSize字段描述。
(5)傳輸模式有中斷傳輸、塊傳輸、同步傳輸、控制傳輸四類，需根據自己設計需求選擇，同時注意最大數據包長度的設置。
4 驅動程序
對于USB設備，Windows操作系統要想對其實現操作，必須借助于驅動程序來實現。主機和驅動程序直接通信，交換數據，而驅動程序則和硬件資源進行通信，從而很好地控制USB設備。Cypress提供的開發環境中自帶了相關的驅動程序CyLoad.sys和CyUSB.sys，可以直接使用，縮短了系統的開發周期。其中CyLoad.sys用于主機向USB設備下載固件程序，CyUSB.sys實現主機和固件程序通信。為了在CyLoad.sys的幫助下實現固件的自動下載，固件程序CyLoad.HEX必須轉換為適合自動下載的CyLoad.spt文件，并且與CyLoad.sys一起放在CyLoad文件夾下，拷貝到系統system32目錄下。在安裝文件CyUSB.inf中設置的PID，VID必須和描述符中的一致，使得能夠自動加載對應固件。
5 實驗
實驗系統，采用CY7C68013A-56pin作為USB設備芯片，實現控制LED和讀取I/O數據功能。由于芯片采用3.3 V電壓供電，因此可以從主機USB口取電，經LM317電壓調整芯片轉換為3.3 V，也可外接3.3 V電壓供電。在PD口接LED，顯示TD_Poll(void)實現的功能(燈亮/滅間隔300 ms)，而PA口LED用于顯示判斷主機發送數據。PB口接高/低電平，用于主機讀取該口數據，可以驗證主機接收數據的正確性。
初始化子程序：
主機控制界面運行如圖4所示。
界面中的USB Information分類框中為USB描述相關信息，由主機通過標準請求獲得。Operation分類框中為主機向USB設備PA口發送數據，以及從USB設備的PB讀取數據的情況。
6 結語
采用CY7C68013A實現USB控制系統，無論在固件程序編寫、主機控制界面開發，以及設備驅動程序的使用等方面，都具有簡單、方便的優點。系統采用設備固件存放在主機上的方法，不但簡化了硬件設計，節約元器件成本，而且也提高了設備的可靠性。同時，此法對以后固件升級或更改設備功能，也十分簡便，只需把固件修改好并放到主機相應位置，在USB設備再次插入主機時，就可以實現固件自動更新。文中給出一些設計過程中需要注意的關鍵問題，對于USB控制設備的設計具有一定的指導作用。上述系統和程序經過實際運行，工作穩定、可靠。